一种微纳波导隔离器的制作方法

1.本发明涉及波导技术领域，具体涉及一种微纳波导隔离器。


背景技术：

2.光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件。光隔离器常应用于防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。例如，在半导体激光源和光传输系统之间安装一个光隔离器，可以在很大程度上减少反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响。在高速直接调制、直接检测光纤通信系统中，后向传输光会产生附加噪声，使系统的性能劣化，这也需要光隔离器来消除。在光纤放大器中的掺杂光纤的两端装上光隔离器，可以提高光纤放大器的工作稳定性，如果没有它，后向反射光将进入信号源(激光器)中，引起信号源的剧烈波动。在相干光长距离光纤通信系统中，每隔一段距离安装一个光隔离器，可以减少受激布里渊散射引起的功率损失。因此，光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。
3.普通光隔离器的工作原理是基于法拉第旋转的非互易性，对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉第旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。现有光学隔离器多由起偏器、旋磁介质、检偏器结构，此结构体型较大，多用于光纤光路，将其微型化集成在片上系统是难以实现的，而研究中的微纳型光隔离器件一方面都要引入磁性材料和外加磁场，这样使结构更加复杂，制作也会变得困难，例如文献non-reciprocal parity-time sysmmetry breaking based on magneto-optical and gain/loss double ring resonators,optical materials express vol.12,no.4,pp.1453,2022。
4.上述光隔离器在应用时需要应用外加磁场改变磁性材料或磁性介质，使用不方便。另外，由于所用磁性材料或磁性介质的尺寸较大，不能构成易集成的微纳波导器件。因此，探索不基于磁性材料的新型隔离器，实现易集成的微纳尺寸波导隔离器是当前的技术难题。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种微纳波导隔离器，包括衬底、第一光栅波导、第二光栅波导、第三波导，第一光栅波导、第二光栅波导、第三波导置于衬底上，第一光栅波导和第二光栅波导平行，第三波导与第一光栅波导和第二光栅波导垂直，第三波导置于第一光栅波导和第二光栅波导之间，第三波导的两端置于第一光栅波导和第二光栅波导栅区附近，第一光栅波导的两端分别设有第一输出端和第一反射端，第二光栅波导的两端分别设有第二输出端和第二反射端。第一光栅波导为短周期光栅，第二光栅波导为长周期光栅。第三波导的两端处于第一光栅波导和第二光栅波导分别靠近第一输出端和第二输出端的
位置。本发明所实现的隔离器产生于第一输出端和第二输出端之间。
6.当光信号通过第一输出端输入、通过第二输出端输出时，光信号沿第一光栅波导传输，第一光栅波导反射光信号，具体是因为第一光栅波导的周期短，对某些波段的光具有很强的反射效果，而不能穿过第一光栅波导，使得大量的光无法耦合至第三波导，导致从第二输出端出射的光能量弱。当光信号通过第二输出端输入、通过第一输出端输出时，光信号沿第二光栅波导传播，耦合进入第三波导，通过第三波导与第一光栅波导之间的耦合进入第一光栅波导，最后从第一输出端输出，出射光的能量强。第一输出端和第二输出端之间不同的透射系数导致了该装置具有强单向导通能力，可以被用于隔离器。
7.更进一步地，衬底的材料为二氧化硅。衬底用于支撑隔离器，并且具有较弱的光吸收损耗。
8.更进一步地，第三波导的两端与第一光栅波导和第二光栅波导均不接触。通过近场耦合，第三波导和第一光栅波导导通、第三波导与第二光栅波导导通。第三波导较少地破坏第一光栅波导和第二光栅波导的波长选择特性。同时，可以保证第一输出端到第二输出端具有较弱的透射率，确保装置的光隔离能力。
9.更进一步地，第三波导的两端与第一光栅波导和第二光栅波导之间的距离均小于1微米。优选地，第三波导的两端与第一光栅波导和第二光栅波导之间的距离小于500纳米，以增强第三波导与第一光栅波导、第二光栅波导之间的耦合，减少光损耗，提高光透射系数，进而提高单向导通能力。
10.更进一步地，第三波导的材料为硅。更进一步地，第一输出端、第一反射端的材料为硅。将第一输出端的材料选择为硅，减少了因材料差异造成的反射损耗。
11.更进一步地，第一反射端的宽度大于第一光栅波导的宽度，提高第一反射端对第一光栅波导中光信号的反射能力。
12.更进一步地，第二输出端、第二反射端的材料为硅。将第二输出端的材料选择为硅，减少了因材料差异造成的反射损耗。
13.更进一步地，第二反射端的宽度大于第二光栅波导的宽度，提高第二反射端对第二光栅波导中光信号的反射能力。
14.本发明的有益效果：本发明提供了一种微纳波导隔离器，通过采用不同周期的光栅波导，在第一输出端和第二输出端之间实现单向导通能力，构建了新型隔离器。本发明具有结构简单、易于集成的优点，在光隔离器领域具有良好的应用前景。
15.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
16.图1是一种微纳波导隔离器的示意图。
17.图2是一种第一输出端和第二输出端之间的透射系数和微纳波导隔离器的单向导通能力图。
18.图3是又一种第一输出端和第二输出端之间的透射系数和微纳波导隔离器的单向导通能力图。
19.图4是又一种微纳波导隔离器的示意图。
20.图5是再一种微纳波导隔离器的示意图。
21.图中：1、衬底；2、第一光栅波导；3、第二光栅波导；4、第三波导；21、第一输出端；22、第一反射端；31、第二输出端；32、第二反射端。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、原理、技术方案和优点更加清晰明白，以下将结合具体实施例，并参照附图对本发明做详细的说明。
23.实施例1
24.本发明提供了一种微纳波导隔离器，包括衬底1、第一光栅波导2、第二光栅波导3、第三波导4。衬底1的材料为二氧化硅。第一光栅波导2、第二光栅波导3、第三波导4置于衬底1上。衬底1用于支撑第一光栅波导2、第二光栅波导3和第三波导4，并且具有较弱的光吸收损耗。衬底1的厚度大于2微米，以便于减少外界对第一光栅波导2和第二光栅波导3传播特性的影响。第一光栅波导2和第二光栅波导3平行。第一光栅波导2为短周期光栅，第二光栅波导3为长周期光栅。第一光栅波导2的宽度为200纳米、高度为100纳米；第一光栅波导2由硅和二氧化硅材料构成，周期为200纳米，周期单元的个数为10个；在每个周期中，硅材料和二氧化硅材料所占的长度均为100纳米。第二光栅波导3的宽度为200纳米、高度为100纳米；第二光栅波导3由硅和二氧化硅材料构成，周期为400纳米，周期单元的个数为5个；在每个周期中，硅材料和二氧化硅材料所占的长度均为200纳米。第一光栅波导2的两端分别设有第一输出端21和第一反射端22，第一输出端21、第一反射端22的材料为硅。将第一输出端21的材料选择为硅，减少了因材料差异造成的反射损耗。第二光栅波导3的两端分别设有第二输出端31和第二反射端32。第二输出端31、第二反射端32的材料为硅。将第二输出端31的材料选择为硅，减少了因材料差异造成的反射损耗。
25.第三波导4与第一光栅波导2和第二光栅波导3垂直，第三波导4置于第一光栅波导2和第二光栅波导3之间，第三波导4的两端置于第一光栅波导2和第二光栅波导3栅区附近。第三波导4的两端处于第一光栅波导2和第二光栅波导3分别靠近第一输出端21和第二输出端31的位置。本发明所实现的隔离器产生于第一输出端21和第二输出端31之间。第三波导4的材料为硅。第三波导4的宽度为220纳米、高度为100纳米、长度为2260纳米。第三波导4的一端处于第二光栅波导3的第一栅格和第二栅格之间。将第三波导4的一端设置在第二光栅波导3的第一栅格和第二栅格之间，增强了第二光栅波导3与第三波导4之间的耦合，使得更多的光从第二光栅波导3耦合进入第三波导4，提高光的单向导通能力。第一光栅波导2的栅区位于第三波导4的左侧，且第三波导4与第一光栅波导2的第一栅格之间的水平距离为400纳米，当光从第一光栅波导2传输到第三波导4时，大大增强了光从第三波导4到第一光栅波导2的耦合强度，从而增强了导通时的光透射系数，提高了光的单向导通能力。第三波导4的两端与第一光栅波导2和第二光栅波导3均不接触。通过近场耦合，第三波导4和第一光栅波导2导通、第三波导4与第二光栅波导3导通。第三波导4较少地破坏第一光栅波导2和第二光栅波导3的波长选择特性。同时可以保证第一输出端21至第二输出端31具有较弱的透射率，确保装置的光隔离能力。第三波导4的一端与第一光栅波导2之间的距离为200纳米、第三波导4的另一端与第二光栅波导2之间的距离为40纳米。第三波导4的一端与第一光栅波导2之间的距离和第三波导4的另一端与第二光栅波导2之间的距离一个大、一个小，可以增强结构的非线性，前者距离大可以使第一输出端21耦合更少的光到第三波导4，降低第一输出端
21至第二输出端31的透射系数；后者距离小，可以使第二输出端31可以耦合更多的光至第三波导4，增强第二输出端31至第一输出端21的透射系数，从而增强装置的单向导通能力。
26.应用时，第一输出端21和第二输出端31通过其他波导联通光源或光探测器。例如，通过近场光学探针联通光源或光探测器。
27.应用有限元软件计算了本实施例第一输出端21和第二输出端31之间的光透射特性和微纳波导隔离器的单向导通能力，如图2所示。在隔离器设计时，通常用参数c来反映器件的单向导通能力，c＝(t
pass-t
cutoff
)/(t
pass
t
cutoff
)；其中t
pass
为导通时的透射率、t
cutoff
为截止时的透射率。c值越接近1或-1，说明器件的单向导通能力越强，器件的隔离性能越高。
28.在图2中，t
pass
为从第二输出端31至第一输出端21的透射系数、t
cutoff
为从第一输出端21至第二输出端31的透射系数。从图2可以看出，从第二输出端31至第一输出端21的透射系数远大于从第一输出端21至第二输出端31的透射系数，在较宽的波长段c值均接近1，表明本实施例实现了较好的单向导通，隔离器的性能高。这是因为当输入光信号通过第一输出端21输入第一光栅波导2后，光信号沿第一光栅波导2传播，第一光栅波导2反射入射光信号，导致大量的光无法到达第三波导4，更少的光传播至第二光栅波导3和第二输出端31；当输入光信号通过第二输出端31输入第二光栅波导3后，光信号沿第二光栅波导3传播，第二光栅波导3中的光经相邻栅格耦合进入第三波导4，第三波导4中的光以tm模式将光耦合到第一光栅波导2上，最终从第一输出端21输出。由于第二光栅波导3与第三波导4之间具有较强的光耦合能力，从第二输出端31至第一输出端21的光透射系数较高，从而导致c值接近于1，证明了本实施例具有很强的隔离能力。由于本实施例是基于硅波导的，适合传统半导体工艺，便于制备。另外，本实施例中的隔离器也没有用的磁性材料或磁性介质，减小了器件尺寸，便于应用，在隔离器领域具有良好的应用前景。
29.实施例2
30.在实施例1的基础上，在第二光栅波导3中，相邻硅栅格之间为空气。图3为应用有限元方法计算的第一输出端21和第二输出端31之间的透射系数和隔离器的单向导通能力。其中，t
pass
为从第二输出端31至第一输出端21的透射系数、t
cutoff
为从第一输出端21至第二输出端31的透射系数。从图3可以看出，从第二输出端31至第一输出端21的透射系数远大于从第一输出端21至第二输出端31的透射系数，在较宽的波长段c值均接近1，表明本实施例实现了较好的单向导通，隔离器的性能高。
31.结合图2中的结果，可以看出当栅格中的二氧化硅或空气时，本发明均能实现良好的单向导通能力，具有较强的隔离效果。当栅格中为空气或二氧化硅时，栅格材料和硅材料的交界面因为折射率不同会形成光反射，对于第二光栅波导3来说，栅区的反射能力增强后，进入第三波导4的光就越强，使得装置单向导通能力越强，隔离效果越好。
32.实施例3
33.在实施例1的基础上，如图4所示，第三波导4为梯形。靠近第二光栅波导3的一端，第三波导4的截面宽；靠近第一光栅波导2的一端，第三波导4的截面窄。第三波导4两端截面不同能够增强结构的非线性，靠近第二光栅波导3处第三波导4的截面宽，可以使得光从第二输出端31至第一输出端21传输时，第三波导4接收更多的光，增加透射系数；靠近第一光栅波导2处第三波导4的截面窄，可以在光从第一输出端21至第二输出端31传输时，第三波导4更难以接收来自第一光栅波导2的光，减弱透射系数。由于从以上两方面出发，本实施例
增强了装置的单向导通能力
34.实施例4
35.在实施例3的基础上，如图5所示，第二反射端32的宽度大于第二光栅波导3的宽度，提高第二反射端32对第二光栅波导3中光信号的反射能力，以便于输入第二光栅波导3中的光信号更多地耦合进入第三波导4，提高从第二输出端31至第一输出端21的透射系数，提高隔离效果。
36.实施例5
37.在实施例4的基础上，第一反射端22的宽度大于第一光栅波导2的宽度，提高第一反射端22对第一光栅波导2中光信号的反射能力，以便于光信号从第三波导4耦合进入第一光栅波导2后，经过第一反射端22的反射，更多的光信号从第一输出端21输出，提高从第二输出端31至第一输出端21的透射系数，提高隔离效果。
38.应当理解的是上述实施方式描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求书为准。